Устройство компьютера

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ИЗ  ЧЕГО СОСТОИТ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                  План 

                   Введение  3

1. Материнская плата. 4
2. Процессор. 5

     2.1 Архитектуры процессоров.5

             2.2 Параметры процессоров. 6

             2.3Процесс производства. 7

             2.4 Процессоры IA-64. 8

3. Системная шина. 10
4. Память 11

     4.1. Оперативная память. 13

     4.2.Синхронная динамическая память SDRAM. 15

5. Порты. 17
1. Параллельные порты (LPT). 17
2. Последовательные порты (СОМ). 17
3. Порт PS/2. 17
4. Порт USB. 17

            6.Видеокарта. 19

            7.Звуковая карта. 22

            Заключение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                          ВВЕДЕНИЕ

     Потребность в автоматизации обработки данных и вычислений возникла давно. В 1642г. Б. Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1763г. Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических операции. Начиная с 19-го века, арифмометры получили очень широкое применение. Существовала и специальная профессия счетчик-человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций. Такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой. Но многие расчеты производились очень медленно, даже десятки счетчиков должны были работать по несколько недель. Причина проста, человек выбирающий действия весьма ограничен в скорости. В первой половине 19-го века математик Ч. Беббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство – аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт  и иметь склад для запоминания данных и промежуточных результатов (в современной терминологии – память). В 1943 американец Г. Эйкен с помощью работ Беббиджа на основании техники 20-го века – электромеханических реле – смог построить на предприятии фирмы IBM такую машину под названием "МАРК-1". К тому времени потребность в автоматизации вычислений стала настолько велика, что над созданием машин подобных построенным Эйкеном одновременно работало несколько групп исследователей. Начиная с 1943г. Группа специалистов под руководством Джона Мочли в США начала конструировать машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Их машина, названная ENIAC, работа в 1000 раз быстрее, чем МАРК-1, однако для задания ее программы приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Компьютеры 40-х и 50-х годов были очень большими устройствами, – огромные залы были заставлены шкафами с электронным оборудованием. Все это стоило очень дорого, поэтому компьютеры были доступны только крупным фирмам. Первый шаг к уменьшению размеров компьютеров был сделан с изобретением в 1948г. транзисторов, которые смогли заменить в компьютерах лампы. И уже во второй половине 50-х годов появились машины на основе транзисторов. Это только несколько исторических фактов, которые привели к возникновению современных персональных компьютеров в том виде, в котором человечество использует их на сегодняшний день. Нашей задачей, является рассмотреть,  из чего состоит современный компьютер, и в общих чертах понять для чего служит каждая из составляющих его частей и как она работает. 

                                     1. МАТЕРИНСКАЯ ПЛАТА

     Внутри  системного блока размещаются основные внутренние компоненты компьютера:

• материнская плата;
• платы адаптеров (звуковая, видео  и сетевая карты);
• процессор;
• дисковые накопители;
• блок питания;
• соединительные шлейфы, шнуры и кабели;
• вентилятор системы охлаждения внутренних элементов;
• вентилятор и радиатор системы охлаждения процессора;
• слоты системной шины.

     Так как многие компоненты могут быть интегрированы на материнской плате, то не все они могут быть представлены как отдельные комплектующие элементы. Задняя панель, как правило, содержит панели плат расширений с разъемами, заглушки разъемов, вентиляционное отверстие вентилятора блока питания.

     Материнская плата является своеобразным «фундаментом» для всех комплектующих компьютера. Именно к ней подключаются все основные устройства: видеокарта, оперативная память, процессор, жесткие диски и т. д. Другими словами, это платформа, на которой строится вся остальная конфигурация компьютера. На материнских платах также встречаются интегрированные устройства, т. е. встроенные. Материнские платы подобного типа уже продолжительное время фигурируют на компьютерном рынке. Примером могут служить материнские платы со встроенными звуковой и видеокартой. Устройства интегрируются на материнскую плату с целью удешевления общей стоимости компьютера. Действительно, стоимость чипа плюс затраты на инженерные разработки по интеграции значительно меньше, чем стоимость разработки и изготовления отдельной полноценной платы расширения. Однако интегрированные решения имеют свои недостатки. Это, во-первых, невозможность модернизации в будущем. А во-вторых, такие решения имеют среднюю производительность.

     Тип и характеристики различных элементов  и устройств материнской платы, как правило, определяются типом и архитектурой процессора. Именно процессор или процессоры, их семейство, тип, архитектура и исполнение определяют тот или иной вариант архитектурного исполнения материнской платы. Материнские платы изготавливают, делая главный упор на наилучшую совместимость именно с процессорами.

                                              

                                                 
 

                                                2. ПРОЦЕССОР

     Что же такое процессор? Процессор — эго «мозг» компьютера. Процессором называется устройство, способное обрабатывать программный код и определяющее основные функции компьютера по обработке информации. Конструктивно процессоры могут выполниться как в виде одной большой монокристальной интегральной микросхемы — чипа, так и в виде нескольких микросхем, блоков электронных плат и устройств. Чаще всего процессор представлен в виде чипа, расположенного на материнской плате. На самом чипе написана его марка, его тактовая частота (число возможных операций, которые он может выполнить в единицу времени) и изготовитель. В настоящее время микропроцессоры и процессоры вмещают в себе миллионы транзисторов и других элементов электронной логики и представляют сложнейшие высокотехнологичные электронные устройства. Персональный компьютер содержит в своем составе довольно много различных процессоров. Они входят в состав систем ввода/вывода контроллеров устройств. Каждое устройство, будь то видеокарта, системная шина или еще что-либо, обслуживается своим собственным процессором или процессорами. Однако архитектуру и конструктивное исполнение персонального компьютера определяет процессор или процессоры, контролирующие и обслуживающие системную шину и оперативную память, а также, что более важно, выполняющие объектный код программ. Такие процессоры принято называть центральными или главными процессорами (Central Point Unit — CPU). На основе архитектуры центральных процессоров строится архитектура материнских плат и проектируется архитектура и конструкция компьютера.

                                                      2.1. АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ

     Процессор, или более полно — микропроцессор, часто называемый ЦПУ (CPU — central processing unit), является центральным компонентом компьютера. Это разум, который прямо или косвенно управляет всем происходящим внутри компьютера. Когда фон Нейман впервые предложил хранить последовательность инструкций, так называемые программы, в той же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея. Опубликована она в «First Draft of a Report on the EDVAC» в 1945г. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четырех основных частей: центрального арифметического устройства, центрального управляющего устройства, памяти и средств ввода/вывода. Сегодня почти все процессоры имеют фон-неймановскую архитектуру. Каждый микропроцессор имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора.

     В АЛУ производится арифметическая и логическая, обработка данных. Устройство управления реализует временную диаграмму и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора. На данный момент существует несколько направлений в производстве микропроцессоров. Они различается принципами построения архитектуры процессора.

                                                             2.2. Параметры процессоров

     Структуры различных типов процессоров могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие. Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре. Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы, при которой одновременно с выполнением текущей команды производятся предварительная выборка и хранение последующих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы. Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как правило, используются 20-разрядные адресные регистры, адресующие 1 МБ памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 МБ до 4 ГБ памяти. Для выборки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных, разрядность которой, как правило, совпадает с разрядностью внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют собой специальные модификации обычных 16-разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощностью. Одним из важных параметров МП является тактовая частота его работы и работы системной шины, которая обычно задается внешними синхросигналами. Для современных процессоров стандартными являются частоты системной шины 66, 100, 133 МГц, а собственная частота достигает 3 ГГц. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импульсов (для выборки команды и ее выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10—20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и запись результата в память. Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний. В соответствии с законом Мура (сформулированным в 1965г. Гордоном Муром, одним из создателей Intel), CPU удваивает свою мощность и возможности каждые 18 месяцев. Этот закон действует на протяжении уже почти сорока лет. Однако законы физики ограничивают разработчиков в непосредственном увеличении частоты, и хотя частоты растут каждый год, это не может дать того прироста производительности, что мы используем сегодня. Вот почему инженеры постоянно ищут способ заставить процессор выполнять больше работы за каждый тик. Развитие состоит в расширении шины данных и регистров. Даже 4-битные процессоры способны складывать 32-битные числа, правда, выполнив массу инструкций; 32-битные процессоры решают эту задачу в одну инструкцию. Большинство сегодняшних процессоров имеют 32-разрядную архитектуру, на повестке уже 64-разрядные.

                                                  2.3. Процесс производства

     Кремний или силикон — это основной материал для производства чипов. Это полупроводник, который, будучи присажен добавками по специальной маске, становится транзистором, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пересекающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.

     В первую очередь выращивается кремневая болванка. Она должна иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас — 8 дюймов. На следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркальной поверхности, На этой пластине и создается чип. Обычно из одной пластины делается много процессоров. Электрическая схема состоит из разных материалов. Например, диоксид кремния — это изолятор, из полисиликона изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания транзисторов — это и называется присадкой. Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность пластины добавляются слои и лишние части вытравливаются вновь. Для этого новый слой покрывается фоторезистором, на который проектируется образ требуемых деталей. После экспозиции проявление удаляет части фоторезистора, выставленные на свет, оставляя маску, через которую проходило вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется растворителем. Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылинка. Такая пылинка может быть размером от микрона до ста — а это в 3—300 раз больше детали. Микропроцессоры производятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специальные защитные костюмы. В прежние времена производство полупроводников приводило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50% работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции намного выше, но никто не ожидает 100%. Как только новый слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и отмечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отделяются, плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA-корпус (Pin Grid Arrays) — керамический прямоугольник с рядами штырьков на дне; именно такой корпус большинство людей принимают за процессор. Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наименьшие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегодняшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что Pentium II изготовлен по такой технологии, он был бы размером 14x20 см и был бы медленным — быстрые транзисторы малы. Большинство процессоров сегодня используют 0.13-микрониую технологию, а на подходе уже и 0.09-микронный процесс.